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AGV小車設(shè)計應(yīng)用

上傳人:仙*** 文檔編號:33294346 上傳時間:2021-10-16 格式:DOC 頁數(shù):10 大?。?00.50KB
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1、 AGV小車設(shè)計及應(yīng)用 1. AGV小車的發(fā)展背景 在現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展中,提倡高效,快速,可靠,提倡將人從簡單的工作中解放出來。機器人逐漸替代了人出現(xiàn)在各個工作崗位上。機器人具有可編程、可協(xié)調(diào)作業(yè)和基于傳感器控制等特點,自動導向小車(Automated Guided Vehicle 簡稱AGV)便是移動機器人的一種,是現(xiàn)代化工業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設(shè)備,主要為儲運各類物料,為系統(tǒng)柔性化、集成化、高效運行提供了重要保證。 A

2、GV小車構(gòu)成系統(tǒng)圖 AGV小車有三個關(guān)鍵系統(tǒng),運行系統(tǒng)、導引系統(tǒng)、控制系統(tǒng),其它還包括有路線系統(tǒng)及安全保護系統(tǒng)等。本文著重介紹AGV小車的三個關(guān)鍵系統(tǒng)。 2.AGV小車運行系統(tǒng) AGV小車運行系統(tǒng)是由車輪、減速器、制動器、電機及速度控制器等部分組成。AGV小車常設(shè)計成三種運動方式:只能向前;能向前與向后;能縱向、橫向、斜向及回轉(zhuǎn)全方位運動。本次研究的AGV小車是能夠前進、后退及回轉(zhuǎn)全方位運動。AGV小車能夠進行回轉(zhuǎn)運動需要有轉(zhuǎn)向裝置。轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有三種: 1) 前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動三輪車型。 車的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動分別由兩個不同的電動機帶動,車體的前部為轉(zhuǎn)向車輪,車體后部為驅(qū)動電機驅(qū)動的兩

3、個輪。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但定位精度較低。 前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動三輪車型 2) 差速轉(zhuǎn)向式四輪車型。 車體的中部有兩個驅(qū)動輪,由兩個電機分別驅(qū)動。前后部各有一個轉(zhuǎn)向輪(自由輪)。通過控制中部兩個輪的速度比可實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向,并實現(xiàn)前后雙向行駛和轉(zhuǎn)向。這種方式結(jié)構(gòu)簡單,定位精度較高。 差速轉(zhuǎn)向式四輪車型 3) 全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型。 車體的前后部各有兩個驅(qū)動和轉(zhuǎn)向一體化車輪,每個車輪分別由各自的電動機驅(qū)動,可實現(xiàn)沿縱向、橫向、斜向和回轉(zhuǎn)方向任意路線行走,控制較復雜。

4、 全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型 從成本及系統(tǒng)應(yīng)用考慮,本文著重介紹差速轉(zhuǎn)向式四輪車型。兩驅(qū)動車輪由兩伺服驅(qū)動器控制,伺服驅(qū)動器通過改變兩車輪的速度大小、方向,實現(xiàn)AGV小車的前進、后退、加減速及轉(zhuǎn)向動作。 AGV小車通過伺服控制,很容易實現(xiàn)前進、后退及加減速,但如何通過改變兩驅(qū)動輪的速度差,實現(xiàn)AGV小車的轉(zhuǎn)向及糾偏?下面,我們首先了解一下差速轉(zhuǎn)向式四輪車的運動模型。 Vr Vl AGV小車運動狀態(tài)及偏差示意圖 圖中虛線表示的車體為初始位姿,實線表示的車體是在和初始時差為Δt時的位姿。AGV

5、車子的左輪運行速度為Vr、右輪為Vl,AGV小車沿著A點作圓弧運動,轉(zhuǎn)彎半徑為d??梢缘茫? ① AGV小車運動偏移弧度為Δθ,容易得: ② 由??式可得AGV小車運動偏移弧度Δθ與左右輪的速度關(guān)系式: ③ AGV小車在做圓弧運動時,在X軸上的變化量是ΔX,在Y軸上的變化量是ΔY,ΔX、ΔY與轉(zhuǎn)彎半徑d的關(guān)系為: ④ ⑤ 將①式代入④⑤式,可以得出ΔX、ΔY與左右輪運行速度的關(guān)系式: ⑥ ⑦ 所以,通過改變Vr及Vl可以實現(xiàn)AGV

6、小車糾偏,轉(zhuǎn)向等運動控制。驅(qū)動輪的變速控制,有多種方法可選擇,包括變頻器控制、步進控制、伺服控制等。其中變頻器控制及伺服控制除了有高精度的速度控制外,還能提供靈活的轉(zhuǎn)矩控制。在AGV小車的運動模型中,其有干摩擦力矩、慣性轉(zhuǎn)矩、粘性摩擦力矩、重力力矩、彈性力矩等。所以AGV小車在運行過程中,驅(qū)動器需要提供不同的力矩,AGV小車才能運行得更穩(wěn)定。而伺服控制比變頻器擁有更高的速度控制精度、更小的安裝位置、更高的IP防護等級以及更好的停車制動功能。所以,伺服控制器作為AGV小車的運動控制系統(tǒng)使用是更為適合。 3. AGV小車導引系統(tǒng) AGV小車能自動運行,需要有導引裝置。常用的導引方式分為兩大類:

7、車外預(yù)定路徑和非預(yù)定路徑方式。下面對兩種方式分別作介紹。 1)車外預(yù)定路徑導引方式是指在行駛的路徑上設(shè)置導引用的信息媒介物,AGV通過檢測出它的信息而得到導向的導引方式,如電磁導引、色帶導引、磁帶導引(又稱磁性導引)等。 色帶導引示意圖 上圖為光學導引示意圖,這種導引方式是在地面上連續(xù)敷設(shè)一條帶顏色的帶子,在車輛的底部中央安裝光源以及在兩邊安裝相同的色標傳感器(如歐姆龍產(chǎn)品E3X-DA□AN-S),它們同時檢測色帶反射回來的色度值,并將色度值轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給AGV小車的中央控制系統(tǒng)--PLC。當AGV小車運行在正

8、確的運行軌道上時,兩放大器反饋給PLC模擬量的值相同,當AGV小車偏離軌道時,兩放大器反饋給PLC的值便有差別,PLC根據(jù)兩模擬量的差值便能判斷出AGV小車偏離運行軌道的程度及方向,并通過控制運動控制器使AGV小車往正確的軌道運行。 色帶導引靈活性較好,地面路線設(shè)置簡單易行,但對色帶的污染和機械磨損十分敏感,對環(huán)境要求高,導引可靠性較差,精度較低。在預(yù)定路徑導引方式中,還有電磁導引等。電磁導引是較為傳統(tǒng)的導引方式之一,目前仍被許多系統(tǒng)采用,它是在AGV的行駛路徑上埋設(shè)磁條,并在磁條上加載導引頻率。磁導航傳感器通過檢測磁條上的磁場,便能判斷出AGV小車的運行是否偏離軌道。 磁條 磁導航傳感

9、器 磁導航傳感器工作原理圖 上圖為磁導航傳感器的工作原理圖,磁導航傳感器可安裝在AGV小車的底部中央,距離磁條表面20-40mm,磁條寬度為30-50mm,厚度1mm。磁導航傳感器內(nèi)部每隔10mm排布一個采樣點,共排布16個采樣點,能夠檢測出磁條上方的磁場,每一個采樣點都有一路對應(yīng)輸出。AGV運行時,磁導航傳感器內(nèi)部垂直于磁條上方的連續(xù)3-5個采樣點會輸出信號(如圖中磁導航傳感器上黃色條為檢測到磁場信號的采樣點,藍色條為未能檢測出磁場的采樣點)。AGV小車的控制系統(tǒng)便能依靠16路通道中輸出的3-5路信號,可以判斷磁條相對于磁導航

10、傳感器的偏離位置,自動作出調(diào)整,確保沿磁條前行。 擁有了運行路徑后,還需要在每個工位及節(jié)點設(shè)置位置標簽,使AGV小車在運行到特定位置時,能做出加速、減速、停車、拐彎等動作。如在每個工位敷設(shè)不同顏色的色條,當色標傳感器檢測出到顏色信號時,小車控制系統(tǒng)便能掌握小車運行的位置。色條作為位置標簽,使用簡單、方便,但對外部環(huán)境要求較高,容易產(chǎn)生誤檢測,可靠性差。 AGV小車系統(tǒng)還可以使用RFID標簽作為位置標簽。RFID標簽?zāi)艽鎯Υ罅康奈恢眯畔?,并能多次讀寫,RFID標簽的體積較小安裝方便,抗干擾能力強。RFID讀寫器安裝在AGV小車前方底部,對標簽信息進行讀取,并通過控制系統(tǒng)控制小車的下一步動作。

11、 歐姆龍公司擁有成熟的RFID系列產(chǎn)品。RFID主推產(chǎn)品有V680系列,包括有讀寫器V680-CA5D01-V2,能讀寫ID標簽,可通過RS232/485接口與PLC通訊;天線V680-HS63,天線的讀寫距離為7.0~30.0mm,ID標簽V680-D2KF67M,使用FRAM用來作為存儲器,不需要電池,外殼材質(zhì)為填充樹脂,形狀為40404.5mm。下圖為AGV小車RFID系統(tǒng)工作原理圖。 AGV小車RFID系統(tǒng)工作原理圖 電磁導引引線隱蔽,不易污染和破損,便于控制,對聲光無干擾,制造成本低。但所有車外預(yù)定路徑導引方式都存在共同缺點是路徑難以更改擴

12、展,對復雜路徑的局限性大。與車外預(yù)定路徑導引相反,非預(yù)定路徑導引方式?jīng)]有固定路徑,其自主性更高。 2)非預(yù)定路徑導引方式是指AGV小車在運行中沒有固定的路徑,其通過激光、視覺、GPS等方式,掌握運行中所處的位置,并自主地決定行駛路徑的導引方式。其中,較常用的是激光導引方式。 激光導引是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板,AGV通過激光掃描器發(fā)射激光束,同時采集由反射板反射的激光束,來確定其當前的位置和航向,并通過連續(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn)AGV的導引。 激光掃描器工作示意圖 非預(yù)定路徑導引方式優(yōu)點是:AGV定位精確

13、,地面無需其他定位設(shè)施,行駛路徑靈活多變,適合多種現(xiàn)場環(huán)境。但它有一個很大的缺點是制造成本高,所以在本文不作重點討論。 4. AGV小車控制系統(tǒng) AGV小車系統(tǒng)除了上文提及的運行系統(tǒng)及導引系統(tǒng)外,還需要有中央控制系統(tǒng),它能采集導引系統(tǒng)返回的位置信息,通過運算轉(zhuǎn)換,反作用于運行系統(tǒng),使AGV小車能做出需要的動作。 歐姆龍CP1H系列PLC便可以作為AGV小車的中央控制器,它可以接收導引系統(tǒng)返回的模擬信號或開關(guān)量信號;它可以安裝RS232、RS422/485接插件,通過串行通訊方式與RFID控制器通訊,采集ID標簽的位置信息;它能輸出控制伺服運行的脈沖信號或模擬量信號;CP1H的編程命令較簡單,程序修改方便,而且還自帶有AGV小車運行中需用到的PID等高級命令。所以CP1H非常適合用于AGV小車的中央控制器。 小結(jié) AGV小車系統(tǒng)是一個較復雜、跨學科、多系統(tǒng)的運動控制課題,因為本人知識底子較淺,本文對AGV各系統(tǒng)的介紹都是很表面及簡單,離實現(xiàn)AGV小車控制還有很遠的距離。以后我還需要研究“如何通過模糊PID控制AGV小車兩輪的速度差,使AGV小車的運行更穩(wěn)定”、“AGV小車在各運行狀態(tài)時的力矩情況”、“如何使用梯形圖編寫AGV小車運行程序”等課題,使AGV小車設(shè)計及應(yīng)用更趨完善。

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